用于冷却热源的方法、设备和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热传递技术。在本发明专利技术的一个方面中，提供一种热传递设备。该热传递设备包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，该一条或多条微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过该一条或多条微通道的流动。此构件可以包括涂覆以疏水涂层的柱状件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及流体力学和热传递，更具体的，涉及集成电路及其它应用中的热学管理技术。
技术介绍
由于半导体的发展，激光及能量转换技术不可避免地伴随着更高的能量和更高的能量密度，如果没有热学管理技术的相伴发展，不可能获得这种发展。因此，热学管理已作为电子系统的主要设计限制因素而出现。个人计算机(PC)提供了一种对热学管理挑战的极好例子。即，利用今日的桌面PC，所经历的平均热通量可大于150瓦每平方厘米，且在通常称为热点的局部区域内，可能出现高达500瓦每平方厘米的显著较大平均热通量。在过去二十年里，由于传统(且普遍存在的)空气冷却方法的固有限制，对电子设备的液体冷却的研究盛行。例如，对于通常需要热源与热沉空间分离的应用例如笔记本电脑，一般采用热管来吸收热源产生的热量、传递该热量并使该热量扩散到热沉的基底。然而，由于热管是无源设备，依靠表面张力来流通热传递流体，所以给定几何构造的热管能够传送的热量受到极大的限制。例如，对于许多应用例如计算机处理器和蜂窝基站中的射频功率晶体管，要迅速到达或者超过热管的最大功率。微通道冷却是另一种正在研究的液体冷却构造。因为与传递给微通道中流体的热量以及自该微通道中流体传递的热量有关的热传递系数格外高，通常大于或等于约1×104瓦每平方米开尔文(W/m2K)，所以仅需要相当小的温度差例如仅达到约五摄氏度(℃)就能驱动流经该微通道的流体与相邻热源或热沉之间的热传递。参见例如R.J.Philips，Microchannel Heat Sinks，2 Advances in Thermal Modeling ofElectronic Components and Systems，109-184(1990)，在此引入其公开内容以供参考。热传递系数表示表面与流体之间在数量上需要多大的温度差来把给定热通量(用瓦每平方米计量)从该表面传入该流体。这具有维持流体在热源的工作温度附近的优点，为热传递至周围环境提供较大的温度差(驱动力)，这有助于使热沉的几何构造最小化。然而，传统微通道冷却的一个问题是与经过微通道泵送流体有关的压降相当高，因为该通道如此小。结果，需要通常更大、更重、更昂贵且更复杂的更高功率液压泵来克服压降。另一与传统微通道冷却相关的问题是对流体的热传递效率沿着微通道的长度保持恒定。即，用以把给定热通量传入流体内所需要的微通道壁与流体之间的温度差沿着微通道的长度保持恒定。同样的，热源上的热点(对应于高功率耗散的局部区域)维持在比其它区域高的温度，并引入由于所得到温度梯度导致的热应力。热点减缓是电子业面临的棘手问题。参见例如R.Viswanath et al.，Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems，INTELTECH JOURNAL(August 2000)，在此引入其公开内容以供参考。结果是，愈加地，模具上的热区域相当局部化并限制电子设备可耗散的能量。这些局限性进一步限制了模具的功能性。因此，需要适于与电子业的热耗散增大需求相匹配的改进热学管理技术。
技术实现思路
本专利技术提供一种热传递技术。在本专利技术的一个方面中，提供一种热传递设备。该热传递设备包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过该一条或多条微通道的流动。此构件可以包括涂覆以疏水涂层的柱状件。在一种示范实施例中，柱状件包括毫微柱(nanoposts)。此外，毫微柱可接收一种用于形成超疏水毫微构件的疏水涂层。可调节这些超疏水毫微构件的尺寸、间距和成分，以减小与经过微通道泵送流体有关的压降和/或调整热传递效率。附图的简要说明附图说明图1是说明一种传统热传递设备的示图；图2A-B是说明一种示范性单微通道热传递设备结构的示图，该结构用以表明把构造用以影响流体流的构件放置在微通道中的有效性；图3是说明一种示范性封闭微通道冷却系统的示图；图4A-B是说明示范性微通道热沉几何构造的示图；图5是说明示范性微通道毫微柱构造的示图；图6A-C是说明毫微柱间距变化的图像；图7是说明超疏水毫微构件如何影响流体的流速分布的示图；以及图8是说明一种用于制造热传递设备的示范方法的示图。具体实施例方式在说明本技术的创造性方面和特征之前，首先说明一种传统热传递设备。图1是说明一种传统热传递设备的示图。如图1所示，传统热传递设备10包括热沉12(Heat Sink)、热界面材料(TIMs)14和15、散热器16、集成电路(IC)芯片18(热源)以及球栅阵列(BGA)基片20。这种热传递设备可以，例子方式，包括个人计算机(PC)的中央处理单元(CPU)。散热器16可由高导热性材料块组成，该高导热性材料包括但不限于铜或其合金。选择性的，散热器16包括蒸汽室。蒸汽室是一种具有使其像热管那样起作用的内部结构的扁平中空板。例如，对于最高功率设备，例如输出100瓦或更大，散热器16由蒸汽室(例如，一种具有一平方厘米或更大占地面积且覆盖IC芯片18的大部分区域的矩形热管)构成以尽可能减小垂直方向以及横向的热阻抗。热沉12是一种翅片式热沉，且与散热器16附接和热连接以使热量散逸到周围空气中。一层TIM例如TIM15通常存在于散热器16与热沉12之间，然而，热沉12可整合到散热器16中。热沉12可被风扇冷却。例如，如果IC芯片18包括PC的CPU、图形处理单元(GPU)或其它IC热源，该热源产生的热量可经由TIM14和15、散热器16和热沉12传导并通过对流带入环境空气中。图2A-B是说明一种示范性单微通道热传递设备结构的示图，该结构用以表明把构造用以影响流体流的构件放置在微通道中的有效性。在图2A中，热传递设备200包括热源202。依据一种示范实施例，热源202包括一种例如与BGA基片204连接且具有焊球206和丝焊208的IC。然而，这里提出的教义不限于此或者任何其它特定的热源构造。例如，热源202可包括一种与印刷电路板连接的引线封装。适当热源的例子包括但不限于专用集成电路(ASICs)、CPUs、GPUs、图形芯片、现场可编程门阵列(FPGAs)、激光器及功率晶体管。在与BGA基片204相对的热源202的一侧，采用芯片连接粘合剂210使热源202与微通道热沉212物理连接和热连接。微通道热沉212包括上部212U和下部212L。重要的是注意，芯片连接粘合剂210的使用是选择性的，也可采用包括但不限于焊接在内的其它适当连接方法。依据一种示范实施例，微通道热沉212包括至少一个基本矩形的微通道例如微通道213，该微通道213的横截面具有从约50至约500微米的长度以及高达约500微米的宽度。依据此示范实施例，为使该通道被看作是微通道，微通道的横截面是这样的以致于最短尺寸必须小于或等于约500微米。依据特定应用，微通道沿流体流动方向的长度为任意长。微通道热沉212包括多个构件214。构件214伸入微通道213且构造用以影响流经微通道热沉212的流体流。例如，构件214可包括超疏水毫微构件。如以下将要详细说明的，超疏水毫微构件包括其上具有疏水涂层的毫微柱。此外，如以下将要详细说明的，可调整或者调节超疏水毫微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热传递设备，包括一条或多条适于容纳热传递流体的微通道，一条或多条所述微通道具有位于其至少一个内表面上的突出构件，该突出构件构造用于影响热传递流体通过所述一条或多条微通道的流动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MS霍兹，PR克罗德讷，TN克鲁彭金，W李，AM莱昂斯，TR萨拉蒙，JA泰勒，DP韦斯，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]